机匣高温结构强度试验加温方法研究

刘 韬，苏 军，程欢欢，霍成民，佟贵生，王 迪

(中国航发沈阳发动机研究所，辽宁 沈阳 110015)

机匣是航空发动机的重要组成部件，起到构建气流通道，传递发动机推力，固定叶片、附件等作用[1-2]。机匣在工作状态下主要承受气体负荷、质量惯性力、热负荷、声负荷以及一些装配应力等[3]。由于机匣类部件结构和受力状态十分复杂，其结构强度很难通过模拟计算准确得出，因此在研制过程中需要进行大量静力、疲劳试验，以验证其结构强度是否满足设计要求。目前，航空发动机机匣类部件结构强度试验多在室温环境下进行，但对于涡轮后机匣、燃烧室机匣等长期工作在高温环境下的热端部件，为更好地模拟其实际工作状态，需要进行高温结构强度试验。与在室温下进行的试验相比，高温试验在设计和进行过程中，除了要考虑结构强度、加载方式、加载协调性等方面问题外，还需要考虑加温方式、温度测量与控制、设备冷却等问题。

目前，对于航空发动机零部件的高温结构强度试验，国内已进行了一系列研究和实践，多种加温技术被应用于相关试验中。张东明等人采用电磁感应加温法对航空发动机涡轮叶片进行加温，完成了900 ℃下的叶片振动疲劳试验[4]。蒲芬彩等人采用电磁感应加温法结合红外测温技术完成了发动机轮盘高温疲劳试验[5]。刘佳等人采用石英灯辐射加温结合气化液氮、喷水强制冷却的方法，进行了发动机涡轮叶片辐射热冲击疲劳试验[6]。米泽清等人在压气机第四级盘高温低循环疲劳试验中采用电阻炉对试验件施加了均匀温度场[7]。而有关航空发动机机匣类部件高温结构强度试验的内容，目前国内外还鲜有文献提及。

本文通过对比分析目前在航空发动机零部件试验中较为常用的加温方法，选择出一种适用于均布稳态温度场下机匣结构强度试验的加温方法，并对相应加温装置的结构和工作原理进行了介绍。同时提出了一种针对复杂构件均布稳态温度场加温误差的分析方法，推导出判断测量系统是否存在系统误差的判别因子μ，并根据试验数据对某型发动机涡轮后机匣高温静力试验的加温误差进行了分析。最后，根据误差分析结果，提出了一系列降低机匣高温结构强度试验均布稳态温度场加温误差的方法。

1 加温方式选择

在某型发动机涡轮后机匣高温静力试验中需要对试验件施加均布稳态温度场，即要求在整个试验过程中试验件各部位温度保持稳定且一致。对于航空发动机机匣这类大型、复杂构件，在选择加温方式时首先要保证空间上良好的加温均匀性，以及一段时间内试验件不发生较大的温度波动。其次，由于是在工程试验中应用，所选择的加温方式及相应加温装置结构应尽量简单可靠，以保证试验长期稳定运行。最后，针对试验过程中可能发生的由于试验件破坏、碎片飞出造成加温设备损坏漏电，以及高温泄漏造成人员烫伤等情况，选择的加温方式还应具有相应的安全性。

目前，在工程试验中较为常用的加温方法有以下几种：

1)电磁感应加温法

这种加温方法是通过交变磁场使含铁质材料产生感应电涡流，实现对物体的加热。这种加温方法具有非接触、加热速度快、可实现局部加热等特点[8]。但由于电磁感应的集肤效应，影响加温的深度和深度方向的温度分布，这种方法更适合对涡轮叶片等小尺寸构件进行加温[9-10]。

2)石英灯阵加温法

这种方法通过石英灯的热辐射对试验件进行加温，可根据被加温物体形状制作相应的石英灯组，并通过可控硅进行分区控温，实现梯度温度场的施加。石英灯阵加温法具有加温快、热效率高、热惯性小等特点，广泛应用于实验室环境[11-13]。但这种加温方法通常需要将石英灯组直接照向被加温表面，而对于零部件结构强度试验，一旦试验件或工装发生破坏并有碎片飞出，可能会造成石英灯组的损坏，影响试验安全。

3)电阻加温法

这种加温方法是利用电流通过导体的焦耳效应使加温元件升温，加温元件再通过辐射、热传导和对流等传热方式对工件进行加温。电阻加温法广泛应用于各个行业，具有结构简单可靠、成本低、功率大等优点[14-15]，但也存在热惯性大等问题。对于稳态均布温度场的施加，布置在周围的电阻加温管会使试验件局部温度过高，影响加温均匀性；同时，在结构强度试验中存在试验件断裂破坏的风险，可能造成加温管的损坏、漏电，存在一定安全隐患。

4)高温气体加温法

这种方法可以认为是一种间接的电阻加温法，即首先通过电阻加温炉将空气加热，再通过鼓风系统将热空气鼓入加温腔，对试验件进行加温。这种方法不仅具有电阻加温法的优点，而且由于高温气体具有更好的流动性，其加温均匀性也更好。同时，这种方法可使电阻加温管远离试验件，保证了试验的安全性。

因此，高温气体加温法更适合稳态均布温度场下的机匣高温结构强度试验。

2 加温装置结构及工作原理

高温气体加温法的加温装置结构如图1、图2所示，其主要由电阻加热炉、保温罩、风机和管道等部分组成。保温罩和加温装置底座组成加温腔，试验件在保温腔内进行加温。保温罩采用可旋转对开式结构，便于试验件安装并满足不同角度载荷的加载。电阻加温炉、风机安装在保温罩上，可有效节省空间并减少加温过程中的热损失。

图1 加温装置结构示意图

加温时，电阻加温炉首先将空气加温；加温后的热空气被风机鼓入加温腔内，以“切向进气，下进上出”的形式从保温罩底部进入加温腔，并在加温腔内形成环流，对加温腔内的机匣试验件进行加温；加温腔内的空气从顶部排出至电阻加温炉，进行加温后再次进入加温腔，从而形成加温装置内的高温气体循环，如图3所示。电阻加温炉出口处布置有热电偶，用以监测高温气体温度。

图3 高温气体流动路径示意图

由于高温气体加温法具有较大的热惯性，试验件的升、降温较慢，若加温系统采用闭环控制，可能引起试验件温度大幅震荡，造成超温。为此，加温系统采用开环控制的方法，即高温气体温度由布置在电阻加温炉出口的热电偶监测，试验件温度由布置在其上的热电偶测量，加温系统操作人员根据试验件的温度反馈调节高温气体温度，直至试验件达到目标温度。

3 加温误差

3.1 加温误差的定义

在试验过程中需要对试验件进行加温，温度可以看作试验载荷的一种。由于多种因素的影响，会造成加载在试验件上的实际温度与目标温度之间存在差异，称之为加温误差。引起加温误差的因素除了测试仪器本身的误差外，还包括由于试验方法、环境影响和人为因素等引起的试验件实际温度与目标温度间的差异。

根据误差的性质和产生原因可将误差分为三大类：随机误差、系统误差和粗大误差。其中，随机误差是由很多暂时未能掌握或不便掌握的微小因素构成，这种误差在单次试验中具有不确定性，但其总体具有统计规律性；系统误差主要由测量仪器不良、试验环境改变、试验人员的习惯和偏向等因素引起，在同一组试验中对结果的影响只朝一个方向偏移；而粗大误差主要来自于人员的操作失误，通过相应手段可以避免，故本文只讨论随机误差和系统误差部分。

3.2 机匣温度测量

机匣试验件的温度通过布置在其上的热电偶进行测量。由于机匣为复杂构件，通过其上一点或局部几点的温度表示其整体温度状态显然是不合适的。为此，在试验过程中沿机匣周向和径向均匀布置多个温度测点，用以全面监测试验件温度状态，如图4所示。

图4 机匣试验件温度测点示意图

当在机匣试验件上布置m个温度测点，并在试验过程中以一定时间间隔进行n次温度采集时，得到机匣温度数据可由以下矩阵表示：

(1)

可见在试验过程中，尤其是长时间进行的疲劳试验过程中，采集的试验件温度数据量是很大的。从这些数据中不容易直观地看出试验件的温度状态，为此以式(2)表示试验件的总体温度：

(2)

3.3 加温误差分析

试验加温误差可分为系统误差和随机误差两部分，如式(3)所示：

ΔT=ΔT±σT

(3)

式中：ΔT为系统误差，具有规律性和可预测性，可通过校正的方法减小或消除；σT为随机误差，具有不可预测性，可通过统计方法进行估计，但不能被消除。

系统误差主要由试验件总体温度误差Δsy和温度测量系统的系统误差Δcl两部分组成。

由于高温气体加温法热惯性较大，温控系统采用开环控制更为稳定，不易发生温度大幅震荡和超温情况，但相应会带来一定的系统误差，造成试验件总体温度与目标温度之间存在差异，如式(2)所示。

对于温度测量系统的系统误差，首先应采用“标准差比较法”判断温度测量系统是否存在系统误差，即通过多种方法计算测试数据的标准差，通过比较以发现系统误差[16]。由贝塞尔公式和别捷尔斯公式推导出系统误差判别因子μ：

(4)

若μ满足如下判定条件：

(5)

则认为温度测量系统不存在系统误差；反之则认为存在系统误差，需根据温度测量系统的具体情况求出其系统误差Δcl。再按下式将两部分误差合成，求得加温系统误差：

ΔT=Δsy+Δcl

(6)

随机误差σT也由两部分组成，一部分是由于测点位置差异和一段时间内控制系统波动等因素引起的试验件温度波动σbd，它反映了试验过程中试验件温度在时间和空间维度上的不均匀性，由式(7)得到：

(7)

另一部分为温度测量系统的随机误差σcl，其与温度测量设备的具体特性有关，可根据设备参数计算得到。再将两部分误差进行矢量合成，得到加温随机误差：

(8)

3.4 算 例

在某型发动机涡轮后机匣高温静力试验中，试验件加温的目标温度为550 ℃，在试验件上均匀布置了12处温度测点，试验过程中进行了9次温度测量，得到试验件温度数据如表1所示。

由式(2)、得到试验件总体温度误差Δsy为1.6 ℃；由式(4)得到判断因子μ为0.087，满足式(5)的判定条件，温度测量系统不存在系统误差；由式(7)得到试验件温度波动值σbd为0.6 ℃；温度测量系统的随机误差σcl为6.3℃；由式(8)得到加温随机误差σT为6.3℃；由式(3)得到本次试验中的加温误差ΔT为1.6±6.3 ℃。

从误差分析结果可见，本次试验的加温误差主要来源于温度测量系统的随机误差。

表1 试验温度数据表 ℃

4 降低加温误差的方法

从误差分析过程中可以看出，此类试验的加温误差主要来源于温度测试系统误差，试验件、试验器结构因素引起的加温不均匀，以及控制系统特性引起的温度波动。这些因素的影响是无法完全消除的，但可以根据误差的来源采取有针对性的手段，以降低加温误差。

(1)采用精度更高的温度测量设备：从3.3节误差分析结果中可以看出，温度测量设备的随机误差占加温误差的主要部分，因此提高温度测量设备的精度是降低加温误差的有效手段；

(2)采用合理的控制方式：可尝试将试验件总体温度Tsy作为控制信号，形成闭环控制系统，降低试验件总体温度Tsy与目标温度Tmb间的差异；

(3)改善加温均匀性：可通过保证足够的加温时间、提高加温腔内气体流动性以及合理的试验装置结构设计，使试验件与高温气体充分、均匀接触，从而提高加温均匀性。

5 结 论

(1)列举了目前工程试验中常用的几种加温方法，通过对比分析得出，高温气体加温法作为机匣类部件高温结构强度试验的加温方法最为适合；

(2)提出了一种针对复杂构件均布稳态温度场加温误差的分析方法，并结合试验数据对某型发动机涡轮后机匣高温静力试验的加温误差进行了分析，结果表明试验加温误差主要来源于温度测量系统的随机误差；

(3)通过提高温度测量设备精度，采用合理的加温控制方式以及改善加温均匀性等手段可降低试验加温误差。